本文是一篇土木工程论文，本文运用连续强度法应变极限对铝合金梁单元模型的局部屈曲进行了研究，通过37组铝合金构件梁单元计算结果同壳单元对比，应变极限基本能模拟梁单元模型的局部屈曲。考虑三种(6061-T6型、6063-T5型、6082-T6型)铝合金等级，三种截面尺寸以及铝合金轴压、压弯两种工况的参数分析。
第1章 绪论
1.1 引言
铝合金材料以其轻质高强、耐腐蚀、美观和容易维护等特点受到人们的关注，普通铝合金常被用于建筑装饰装修工程、建筑模板工程[1]。随着铝合金生产制造技术的不断进步，高强铝合金相继被运用到建筑结构中，比如铝合金人行天桥、铝合金大跨度屋顶结构以及大型塔架构筑物等。铝合金在国外发展较早，欧洲等发达国家已建造了不少铝合金建筑物，同时对铝合金结构的研究也就较为成熟，19世纪70年代先后发行了铝合金设计规范条文。国内对于铝合金的运用与研究也在陆续进行，近些年来虽然对铝合金构件进行了一些研究工作，但国产铝合金材性本构关系、铝合金构件设计方法、节点连接以及铝合金抗火耐温的研究还需要进一步加强。现行的铝合金规范，一方面借鉴国外的铝合金设计标准，另一方面参照我国钢结构设计原理，仍没有建立一套规范的铝合金设计体系。因此，需对铝合金构件进行更深入的研究，提出适合我国铝合金型材构件的计算公式，不断完善我国铝合金设计规范。
1.2 研究背景及意义
1.2.1 铝合金材料物理力学性能
铝中加入一定量的铜、镁、锰等金属元素使其形成铝合金合金材料时，其力学性能有明显的提升。如表1-1所示，总结了两类等级铝合金(6061-T6和6082-T6)同钢材(Q235和Q375)力学性质的对比。首先，6061-T6型铝合金屈服强度同Q235钢相当，而6082-T6型高强铝合金的屈服强度远超过Q375钢；材料密度方面，铝合金的密度大约等于钢材的三分之一，相对于自重占比较大的混凝土结构，这无疑是一个比较大的优势。其次，铝合金的熔点为658℃，而钢材的熔点可以达到1530℃，后者是前者的2.2~2.3倍。最后，铝合金的线性膨胀系数是钢材的2倍，这就意味着铝合金对温度的变化更为敏感。如表1-2[2]，随着温度的不断升高，铝合金的各项力学性能指标都相应地下降，因此铝合金构件的抗火与耐温也是关注和研究的重点。铝合金材料的表面外露于空气中，能够同氧气结合，生成一层致密的的氧化膜(Al2O3)，该层氧化膜能够阻止铝合金同外界空气的接触，这使得铝合金结构能运用于海洋工程中，比如海洋平台结构、海洋石油钻井平台等[3]。由于铝合金材料容易回收，再处理成本低，再利用率高，回收价值也较高，符合绿色建筑材料[4]的标准，在低碳环保的理念中，铝合金具有很大的发展前景。铝合金的缺点也较为明显，例如铝合金的弹性模量(68Gpa)只有钢材(206Gpa)的三分之一，因此铝合金的屈曲、变形和失稳等问题比钢结构更为突出，同时铝合金的延性低，较不锈钢和钢材更容易发生脆性断裂。工艺方面铝合金材料可以通过热处理方式进行强化，主要热处理方式包括淬火、时效、退火等，其目的就是提高铝合金的强度、硬度等力学性能，使其能够在更多的领域发挥自身的功效。
第2章 铝合金构件应变极限
2.1 引言
连续强度法(CSM)基础曲线反映了不同截面柔性系数的构件失效前截面能承受的变形程度。基础曲线以热轧钢、不锈钢、铝合金等材料的短柱与四点加载梁试验数据值为基础拟合得到。本文搜集了共计190组来自文献[28]、[31]、[59-62]铝合金四点加载梁和铝合金短柱的荷载与位移试验数据，其中包括了6061-T6型、6063-T5型、6060型、6060-T6型、6082-T6型五种型号的铝合金，截面类型包括矩形截面(RHS)、方形截面(RHS)、工字形截面、L型以及槽型截面。详细统计信息见表2-1。
厚实截面的短柱构件，达到极限承载力于弹性边缘屈服荷载yP，图2-3为短柱荷载与轴向变形之间的关系图，其截面变形能力(εcsm/εy)定义为极限荷载下的应变εlb与0.2%塑性应变之差同屈服应变之比。而薄柔短柱构件，发生的弹性或者弹塑性屈曲破坏对应的极限承载力uP往往小于构件弹性边缘屈曲荷载yP。
2.2 铝合金基础曲线预测
如图2-6所示，可以看到Su[58]推荐的基本曲线大致包含了本文搜集到的190组短柱与四点加载变形能力数据点。该曲线拟合时包括不锈钢、热轧钢以及铝合金材料，考虑三种材料在材性方面的差异，如铝合金的弹性模量仅为碳素钢的三分之一，铝合金应变强化能力与延性不如不锈钢。因此，需对铝合金的连续强度法基础曲线进行适当的修正，继而对铝合金构件截面变形能力进行不同程度的利用。
结果表明：考虑铝合金材料性质，对连续强度法基本曲线进行修正，得到了六种连续强度法基础曲线，继而确定截面变形应变极限。当以截面柔性系数为0.68作为分类的界限时，四种曲线的第一种情况完全包括了试验数据点，其他情况基本包含了试验数据点，其截面变形能力得到了不同程度的利用。当截面柔性系数为0.95时，放宽了厚实截面与非厚实截面的临界界限，该曲线基本囊括了试验数据点。当截面柔性系数为0.517时，厚实截面与非厚实截面的临界界限值减小，此时的曲线包含了仅仅少部分试验数据点，对构件截面变形能力的利用较低。
第3章 铝合金构件有限元验证 ................................ 21
3.1 引言 ....................................... 21
3.2 建立壳单元模型 ............................... 21
第4章 铝合金构件扩大参数分析以及规范对比 .................. 41
4.1 引言 ................................ 41
4.2 铝合金轴压构件 .......................... 41
第5章 结论与展望 .......................... 57
5.1 全文总结................................. 57
5.2 创新之处............................. 57
第4章 铝合金构件扩大参数分析以及规范对比
4.2 铝合金轴压构件
4.2.1 铝合金轴压构件应变修正
本节将第二章中讨论的连续强度法基础曲线引入铝合金轴压构件。选用三种(6061-T6型、6063-T5型、6082-T6型)铝合金、三种截面尺寸、七种壁厚、相对长细比范围进行参数分析，产生了共计450组轴压铝合金构件。现将以上参数数据统计如表4-1。
将450组铝合金轴压构件分别利用六种连续强度法基础曲线进行计算。图4-1为梁单元(CSM+Strain limit)同壳单元比值后与截面柔性系数之间的关系，单位“1”以上为不安全，而以下则表示安全。表4-2列出了铝合金轴压构件的梁单元(CSM+Strain limit)与壳单元计算后的比值，比较的内容包括平均值(Mean)和变异系数(COV)。对于铝合金轴压构件，六种情况的平均值均为1，都较为精确，但Nbeam, 01&35/Nshell的变异系数为0.021，均小于其他情况。因此，采用应变极限模拟铝合金轴压构件的局部屈曲时，建议采用连续强度法基础曲线：01&35。
第5章 结论与展望
5.1 全文总结
本文运用连续强度法应变极限对铝合金梁单元模型的局部屈曲进行了研究，通过37组铝合金构件梁单元计算结果同壳单元对比，应变极限基本能模拟梁单元模型的局部屈曲。考虑三种(6061-T6型、6063-T5型、6082-T6型)铝合金等级，三种截面尺寸以及铝合金轴压、压弯两种工况的参数分析。进一步研究了该方法对于铝合金承载力预测的准确度。并将轴压和压弯工况计算的结果同欧洲规范(EN 1999-1-1)与中国规范(GB 50429-2007)推荐的设计方法进行了对比分析。结论如下：
(1) 对铝合金三点、四点加载梁和轴压构件屈曲分析时，轴压构件的初始局部缺陷取为b/400较为合理，三点、四点加载梁的初始局部缺陷取为b/100较为合理。
(2) 利用梁单元(CSM+Strian limit)对轴压构件以及三点、四点加载梁计算时，壳单元结果与梁单元(CSM+Strian limit)结果吻合度基本一致，应变极限基本可以模拟铝合金梁单元模型的局部屈曲。
(3) 采用梁单元对铝合金进行计算时，以局部屈曲为失效模式的铝合金构件，铝合金应变强化、板件之间的相互作用、半波长内应力梯度等有利因素得到较为充分地利用；而以整体失稳为失效模式的铝合金构件，这些有利因素则发挥得不那么理想。
(4) 通过参数分析，当铝合金轴压构件与铝合金压弯构件分别采用推荐的基础曲线时，梁单元(CSM+Strain limit)计算方法较两种规范更为精确，并且欧洲规范和中国规范对铝合金构件极限承载力都预测较为保守。
参考文献（略）
